文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)05-0101-03
由于橋梁的使用年限長，加上設(shè)計(jì)、施工和使用材料的質(zhì)量等諸多因素的影響,，會使橋梁存在先天的薄弱因素，因此橋梁結(jié)構(gòu)的安全性非常重要,。對橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行健康監(jiān)測,，可以有效預(yù)防突發(fā)型災(zāi)難，減少損失與人員傷亡,。由于橋梁大都處于交通要道,，距離監(jiān)控中心比較遠(yuǎn)，目前主要采用人工測量狀態(tài)參量與測試數(shù)據(jù)的事后實(shí)驗(yàn)室分析評價(jià)的方法。這種方法效率低,，也不能對突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)警,，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，采用無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)[1],，目前主要是研究橋梁的某一個方向的振動居多,，而對于橋梁的溫濕度情況、當(dāng)前風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)未有涉及,，尤其是在我國東南沿海區(qū)域每年的臺風(fēng)天氣,，橋梁所需要經(jīng)受的臺風(fēng)沖擊嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)開發(fā)具有多參數(shù)監(jiān)測的橋梁預(yù)警系統(tǒng)意義重大,。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖1所示為多參數(shù)橋梁預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖,。被監(jiān)測的橋梁上掛接著多種不同類型的監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)，主要有溫濕度檢測節(jié)點(diǎn),、風(fēng)速風(fēng)向檢測節(jié)點(diǎn)和XY雙軸振動監(jiān)測節(jié)點(diǎn),。不同類型的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，采用統(tǒng)一地址編碼的方式,，將采樣到的傳感器信息通過高速CAN總線[2]發(fā)送到本地計(jì)算機(jī)上,。系統(tǒng)采用了ATOM凌動處理器的便攜式低功耗移動平臺計(jì)算機(jī)，其體積小巧,，功耗低,，在關(guān)閉液晶顯示器時(shí),，最低功耗不到1 W,，而總體積比一個公文包小，且采用直流電壓供電,，因此本系統(tǒng)將該計(jì)算機(jī)平臺放置在監(jiān)測本地,，與橋梁的距離通常在300 m以內(nèi)，在此距離內(nèi)CAN總線的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)125 kb/s,，可連接足夠數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點(diǎn),。本地計(jì)算機(jī)將每分鐘采集到的所有傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息壓縮打包后通過GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端，并在服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)解釋,、存盤等工作,。由于本地監(jiān)測系統(tǒng)是一個獨(dú)立系統(tǒng)，因此采用了大容量的鉛酸蓄電池作為供電能源,，當(dāng)天氣良好時(shí),，太陽能電池板工作，并經(jīng)由太陽能調(diào)壓充電器對鉛酸蓄電池充電,，保證系統(tǒng)長時(shí)間的工作,。
2 XY雙軸振動監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
2．1傳感器選擇與前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)
振動傳感器[3]是用于檢測沖擊力或者加速度的傳感器，通常使用的是加上應(yīng)力就會產(chǎn)生電荷的壓電器件,。目前應(yīng)用于橋梁振動監(jiān)測的加速度傳感器大多采用動圈式機(jī)械傳感器,，通過磁鐵切割磁力線得到感生電動勢從而反映加速度的變化,，其體積較大，高頻特性不好,，頻帶內(nèi)的增益平坦度差,，因此本系統(tǒng)采用了ADI公司的雙軸加速度計(jì)。ADXL203[4]典型測量范圍在±1.7 g,，該加速計(jì)既可測量靜態(tài)的也可測量動態(tài)的加速度,可承受3 500 g極限加速度,。其下拉電流小于700 μA，靈敏度達(dá)到1 000 mV/g,。該加速計(jì)在-40℃~125℃溫度范圍內(nèi),，具有±0.3%的溫度靈敏性；±25 mg的零點(diǎn)偏移精度,；在小于60 Hz的帶寬下具有解決小于1 mg的解決方案(0.06°傾斜)以及優(yōu)于0.1 mg/℃的穩(wěn)定性,。加速計(jì)ADXL203的內(nèi)部電阻RFILT的標(biāo)稱值為32 kΩ，而其實(shí)際阻值可在14 kΩ~40 kΩ間選擇,通過選擇合適的XO,、YO引腳的輸出電容值,，可降低傳感器輸出噪聲，本文所設(shè)計(jì)的傳感器信號頻率上限為100 Hz,，因此選擇0.01 μF的電容,，該電容與ADXL203的內(nèi)部電阻RFILT構(gòu)成低通濾波器。由于ADXL203XL在加速度為0 g時(shí),，輸出電壓為2.5 V,，實(shí)際的傳感器是豎直安裝，因此Y軸方向上就存在一個固有的1 g的加速度,則YO引腳輸出電壓為3.5 V,。由于本系統(tǒng)只關(guān)心橋梁的振動情況,，即加速度的變化情況,故設(shè)計(jì)了如圖2所示的交流放大偏置電路。ADXL203輸出的加速度信號,，經(jīng)過輸出電容濾波后,，再由電容C7與C21耦合后得到交流加速度信號，該信號經(jīng)過精密雙運(yùn)放OPA2277UA組成的加法放大電路得到直流偏移電壓為2.5 V的共模信號,。經(jīng)過上述電路就消除了傳感器安裝時(shí)導(dǎo)致的X,、Y兩軸的信號直流電壓差異，得到兩路共模電壓為2.5 V的信號,，并送入后級ADC電路,。圖2中的VREF為來自高穩(wěn)定度精密基準(zhǔn)源REF192GS的基準(zhǔn)信號，其典型溫度系數(shù)為3 ppm/℃,。
2.2 雙24位ADC同步采樣設(shè)計(jì)
為了保證X,、Y雙軸信號的嚴(yán)格同步采樣，以及采樣周期的準(zhǔn)確性，采用模擬開關(guān)切換的方式顯然不可行,。本文采用了兩片高精度24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714,，使用其同步功能，同時(shí)采樣X軸與Y軸的加速度信號,。AD7714[5]是美國ADI公司推出的一種高分辨率24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,。由于AD7714采用了Σ-△轉(zhuǎn)換技術(shù),使其擁有小于150 nVrms的低噪聲，適用于寬動態(tài)范圍,、低頻信號的模擬前端測量,。器件可以被配置為3個完整的差分輸入或者5個準(zhǔn)差分輸入,采用3 V或5 V供電可以很容易地實(shí)現(xiàn)多達(dá)5個通道的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換,其最高數(shù)據(jù)輸出速率為1 kHz。
AD7714是一個完整的用于低頻測量應(yīng)用場合的模擬前端,。它的3線串行接口與SPI,、QSPI、MICROWEIR兼容,。通過軟件可對增益設(shè)定,、信號極性和通道選擇作出配置。AD7714的主要特點(diǎn)如下：
(1)最高可實(shí)現(xiàn)24 bit無誤碼輸出,同時(shí)保證0．001 5％的非線性度,；
(2)具有前端增益可編程放大器,，增益值為1～128，內(nèi)含可編程低通濾波器和可讀寫系統(tǒng)校準(zhǔn)系數(shù),；
(3)有5通道輸入,，可根據(jù)需要采用3路差分輸入或5路準(zhǔn)差分輸入；
(4)低噪聲(<150 nV rms),；
(5)低功耗,典型電流值為226 μA(省電模式僅為4 μA),；
(6)采用單5 V供電(AD7714-5)或單3 V供電(AD7714-3)方式。
在圖3中,U2,、U4的同步信號引腳相連,，U2的MCKOUT引腳連接到U4的MCKIN。當(dāng)兩片AD7714上電并被成功初始化后,，控制器施加給兩片AD7714共同的同步信號;當(dāng)兩片AD7714接收到同步信號后，將復(fù)位片內(nèi)的數(shù)字濾波器,、寄存器,、模擬調(diào)制器等處于復(fù)位狀態(tài);一旦同步信號結(jié)束則立即開始正常工作。由于兩片AD7714共用一個晶體振蕩器信號,，因此兩片AD7714的片內(nèi)工作時(shí)序是完全相同的,，也就保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒中斷引腳D\R\D\Y\的狀態(tài)是完全一致的,兩片AD7714嚴(yán)格同步。
2.3 CAN通信接口設(shè)計(jì)
本文采用STM32系列的Cortex-M3內(nèi)核控制器,，其片內(nèi)自帶了滿足CAN2.0A與CAN2.0B協(xié)議的硬件通信接口,，并使用CTM8251AT隔離型CAN收發(fā)模塊完成了CAN總線的高速數(shù)據(jù)通信功能。以下為CAN波特率的計(jì)算：
BodeRate=PCLK1/CAN_Prescaler/(CAN_SJW+CAN_BS1+CAN_BS2)
由于CAN是掛接在APB1總線上,因此采用時(shí)鐘PCLK1,當(dāng)PCLK1=72 MHz時(shí)，波特率為=72/9/16=0.5 MHz,，CAN_Prescaler的預(yù)分頻值為1~1024,。
在進(jìn)行CAN組網(wǎng)布線時(shí)，需要注意的是,，在中遠(yuǎn)距離應(yīng)采用120 Ω特征阻抗雙絞線,，通信距離大于600 m以上，選用線徑大于0.75 mm2的電纜,，超遠(yuǎn)距離線徑應(yīng)大于1.5 mm2,。而且CAN總線的通信速率是隨著通信距離的增大而降低的，通常在1 km時(shí),最高波特率為35 kb/s,，2 km時(shí)為18 kb/s,，當(dāng)距離大于5 km則必須增加CAN中繼器，否則無法正常通信,。
3 實(shí)測數(shù)據(jù)
如圖4為橋梁振動系統(tǒng)實(shí)測得到的縱向垂直振動加速度信號,。本系統(tǒng)中還采用了DHT22型號的溫濕度檢測模塊與PH100SX型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，這兩類傳感器和輸出都是數(shù)字信號,，接口設(shè)計(jì)簡單,，限于篇幅不再贅述。本系統(tǒng)的實(shí)際指標(biāo)如下：
在線調(diào)節(jié)傳感器采樣率范圍為1～100 Hz,；
在線調(diào)節(jié)傳感器放大倍數(shù)為1,，2，4,，8,，16，32,，64,，128;
加速度測量范圍為0～±1.7g，最大靈敏度為1 mg;
加速度數(shù)據(jù)非線性度小于0.5%;
嚴(yán)格同步雙軸振動數(shù)據(jù)測量;
單路CAN最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為60,，CAN組網(wǎng)可達(dá)600個節(jié)點(diǎn)以上,。
本文所研制的多參數(shù)橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間無人值守的實(shí)時(shí)雙軸振動信號采集、溫濕度采集以及風(fēng)速風(fēng)向測量等功能,。監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取各監(jiān)控橋梁的狀態(tài)信息,，并自動根據(jù)橋梁狀態(tài)信號實(shí)時(shí)報(bào)警。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于大型建筑體,，攔河大壩等大型結(jié)構(gòu)體的遠(yuǎn)程健康狀態(tài)監(jiān)控,。
參考文獻(xiàn)
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